CN116825835A - 一种逆导型igbt器件的背面结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逆导型IGBT器件的背面结构及制造方法，背面结构包括：衬底漂移区；N型缓冲一区和P型注入一区，层叠形成于衬底漂移区上；N型缓冲二区，形成于衬底漂移区上；P型注入二区和N型注入一区，层叠形成于衬底漂移区上；N型缓冲一区和P型注入一区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的一端，N型缓冲二区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的另一端；金属层，形成于P型注入一区、N型注入一区以及N型缓冲二区的上。本发明实现了逆向也可以导通的性能，可使器件从MOS状态更快切换到IGBT状态。本发明改善了现有的IGBT器件在小电流工作时VCE压降比较高的特点，使IGBT在小电流工作时，VCE压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片技术领域，尤其涉及一种逆导型IGBT器件的背面结构及制造方法。
背景技术
在常规场截止型IGBT中，由于集电极P+掺杂的存在，不具备反向导通的能力。
逆导型绝缘栅双极型晶体管(ReverseConductingInsulatedGateBipolarTransistor，RC-IGBT)是一种兼备IGBT功能和反向(逆向)导通功能的器件。
逆导型绝缘栅双极型晶体管能够提高集成度、减小寄身电感、降低封装成本。传统的RC-IGBT的一种方法是在背面槽栅中采用重掺杂的P型多晶硅，利用P型多晶硅与N型漂移区的内建电势来耗尽两个背面槽栅之间的N型漂移区，从而达到消除折回现象的目的。传统的RC-IGBT的另一种方法是通过P型和N型材料间隔排列的方式制成RC-IGBT，通过P型和N型的面积比例调节来消除N型材料带来的副作用。传统的RC-IGBT还有一种方法是将IGBT和FRD做在同一颗晶圆上，这种方法面积上没有优势。
发明内容
本发明提供了一种逆导型IGBT器件的背面结构及制造方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。
本发明采用的技术方案是：提供一种逆导型IGBT器件的背面结构，包括：
衬底漂移区；
N型缓冲一区和P型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；
N型缓冲二区，形成于所述衬底漂移区上；
P型注入二区和N型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；所述N型缓冲一区和P型注入一区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的一端，所述N型缓冲二区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的另一端；
金属层，形成于P型注入一区、N型注入一区以及N型缓冲二区的上。
进一步的，当N型缓冲二区和N型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。
进一步的，当N型缓冲一区和N型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。
进一步的，当P型注入一区和P型注入二区设计参数相同时，则为一体成形结构。
进一步的，还包括：
N型注入二区，层叠形成于N型缓冲二区上，并与N型缓冲二区设计参数不同；
N型注入三区，层叠形成于N型注入一区上，并与N型注入一区设计参数不同；
所述N型注入二区和N型注入三区均与金属层接触。
进一步的，所述P型注入二区的宽度为10nm-10000000nm，P型注入二区深度为10nm-200000nm。
本发明还提供一种逆导型IGBT器件的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：完成IGBT的正面工艺和背面减薄；
步骤2：在衬底漂移区上的N型缓冲一区进行N型离子注入、N型缓冲二区进行N型离子注入；若N型缓冲一区和N型缓冲二区设计参数相同，则同时进行N型缓冲一区和N型缓冲二区的N型离子注入；然后在P型注入二区进行P型离子注入；或者，
同时在衬底漂移区上的N型缓冲一区和N型缓冲二区进行N型离子注入，然后在P型注入二区进行P型离子注入；或者，
同时在衬底漂移区上的N型缓冲一区、P型注入二区和N型缓冲二区进行N型离子注入；然后在P型注入二区进行P型离子注入；
所述N型缓冲一区和N型缓冲二区在P型注入二区沿横向方向的两端；
步骤3：在P型注入一区进行P型离子注入，所述P型注入一区在N型缓冲一区上；
步骤4：在N型注入一区进行N型离子注入，所述N型注入一区在所述P型注入二区上；
步骤5：背面退火工艺；
步骤6：背金工艺，在所述P型注入一区、N型注入一区、N型缓冲二区上形成金属层。
进一步的，将步骤4-步骤6替换为：
步骤4：在N型注入一区进行N型离子注入，所述N型注入一区在所述P型注入二区上；
步骤4.1：在N型注入二区进行N型离子注入，所述N型注入二区在N型缓冲二区上，并与N型缓冲二区设计参数不同；
步骤4.2：在N型注入三区进行N型离子注入，所述N型注入三区在N型注入一区上，并与N型注入一区设计参数不同；
步骤5：背面退火工艺；
步骤6：背金工艺，在P型注入一区、N型注入三区、N型注入二区上形成金属层。
进一步的，在所述步骤5背面退火工艺之后还包括：背面注氢工艺。
进一步的，若N型缓冲二区和N型注入一区设计参数相同，则同时在二者区域注入N型离子；
若N型缓冲一区和N型注入一区设计参数相同，则同时二者区域注入N型离子；
若P型注入二区和P型注入一区计参数相同，则同时二者区域注入P型离子。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现了逆向也可以导通的性能，可以使器件从MOS状态更快切换到IGBT状态。
2、本发明改善了现有的IGBT器件在小电流工作时，VCE压降比较高的特点，本发明的IGBT的背面结构可以使IGBT在小电流工作时，VCE压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。在小电流工作条件下可以降低VCE饱和压降，小电流工作条件下，在同样的饱和压降下，可以提高导电电流9％左右。另外在大电流工作时，本发明结构的IGBT的饱和压降VCE性能达到了普通IGBT的水平。
3、本发明能够明显改善器件性能，并且不需要非常精细工艺的背面加工，也不需要特殊的工艺，容易加工和生产。
4、本发明在低电流工作时，RC-IGBT工作在MOSFET模式，有效地降低了工作功耗。在大电流工作时，RC-IGBT工作在IGBT模式。
5、本发明的IGBT结构正向导通压降VCE和现有IGBT相当，相同的正向导通电压在仿真条件下可以达到普通IGBT的电流。
6、本发明利用了现有IGBT的背面成熟工艺，增加了P型离子深注入工艺；再经过N型注入工艺，再经过金属化接触工艺，最终实现了RC-IGBT的功能。
7、本发明便于实施制作，可以利用现有的工艺水平实现。
8、本发明可以减少芯片面积。
附图说明
图1为本发明实施例公开的逆导型IGBT器件的背面结构的示意图；
图2为现有的IGBT器件和本发明的Vc-Ic曲线对比图；
图3为本发明实施例公开的逆导型IGBT器件的背面结构的另一示意图；
图4为本发明实施例公开的逆导型IGBT器件的背面结构的又一示意图；
图5为本发明实施例公开的逆导型IGBT器件的背面结构的又一示意图；
图6为本发明实施例公开的逆导型IGBT器件的背面结构的又一示意图；
图7为本发明实施例公开的逆导型IGBT器件的背面结构的又一示意图；
图8为本发明实施例公开的逆导型IGBT器件的背面结构的又一示意图。
附图标记：1-衬底漂移区，2-N型缓冲一区，3-P型注入一区，4-金属层，5-P型注入二区，6-N型缓冲二区，7-N型注入一区，8-N型注入二区，9-N型注入三区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
参见图1，本实施例公开一种逆导型IGBT器件的背面结构，包括：衬底漂移区1；N型缓冲一区2和P型注入一区3，层叠形成于所述衬底漂移区1上；N型缓冲二区6，形成于所述衬底漂移区1上；P型注入二区5和N型注入一区7，层叠形成于所述衬底漂移区1上；所述N型缓冲一区2和P型注入一区3位于P型注入二区5和N型注入一区7沿横向方向的一端，所述N型缓冲二区6位于P型注入二区5和N型注入一区7沿横向方向的另一端；金属层4，形成于P型注入一区3、N型注入一区7以及N型缓冲二区6的上。
在一些实施例中，参见图3，当N型缓冲二区6和N型注入一区7设计参数相同时，则为一体成形结构。参见图4，当N型缓冲一区2和N型注入一区7设计参数相同时，则为一体成形结构。参见图5，当P型注入一区3和P型注入二区5设计参数相同时，则为一体成形结构。此外，参见图6，在设计N型缓冲一区2时，可以将P型注入二区5和N型注入一区7在宽度方向的一侧仅与N型缓冲一区2接触，而不与P型注入一区3接触。也可以如图7所示，在设计P型注入二区5时，使N型缓冲一区2和P型注入一区3仅与P型注入二区5接触，而不与N型注入一区7接触。
在一些实施例中，本发明的逆导型IGBT器件的背面结构还包括：N型注入二区8，层叠形成于N型缓冲二区6上，并与N型缓冲二区6设计参数不同；N型注入三区9，层叠形成于N型注入一区7上，并与N型注入一区7设计参数不同；所述N型注入二区8和N型注入三区9均与金属层4接触。
进一步的，所述P型注入二区5的宽度为10nm-10000000nm，P型注入二区5深度为10nm-200000nm。
下面对本实施例的工作原理作进一步说明：
当集电极电位高于发射极电位时，集电极和发射极之间的导电特性受栅极电压的控制，当栅极电压大于开启电压Vth时，在小电流工作时，工作在MOSFT模式，在大电流工作时，工作在IGBT模式；当栅极电压小于开启电压Vth时，IGBT和MOSFT都截止。通过图1-图2，能够表明，本发明的逆导IGBT，在小集电极电流工作时，可以降低VCE饱和压降；在大电流工作时，能够和一般结构的IGBT性能相当。
当集电极电压小于发射极电压时，由于发射极和集电极之间有PN结形成的二极管，此时IGBT工作电流从发射极流向集电极，实现了IGBT的逆向导通。
综上，本实施例的IGBT结构实现了逆向也可以导通的性能，而且可以使该器件从MOS状态更快切换到IGBT状态。本实施例中的电流方向既有集电极竖直向上到发射极的电流，也有集电极四周斜向上的流经缓冲层到发射极的电流，能够提高小电流时的工作效率。也就是说，现有的IGBT器件在小电流工作时，VCE压降比较高，本发明的IGBT的背面结构可以使IGBT在小电流工作时，VCE压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。本实施例比现有的IGBT结构降低了IGBT在小电流工作时的正向导通压降，相同的正向导通电压可以增加导电电流约9％。本实施例利用了集电极侧，进行P型离子深注入P型注入二区5。在P型离子深注入后，再将N型离子注入N型注入一区7，再经过金属化接触工艺，最终实现了RC-IGBT的功能。本实施例便于实施制作，可以利用现有的工艺水平实现；在小电流时工作在MOSFET模式，有效地降低了工作功耗。采用该实施例的芯片的工作状态如下：在低电流工作时，RC-IGBT工作在MOSFET模式，在大电流工作时，RC-IGBT工作在IGBT模式。
实施例2：
以图1的逆导型IGBT器件背面结构为例，本实施例公开一种逆导型IGBT器件的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：完成IGBT的正面工艺和背面减薄。
步骤2：在衬底漂移区1上的N型缓冲一区2进行N型离子注入、N型缓冲二区6进行N型离子注入；若N型缓冲一区2和N型缓冲二区6设计参数相同，则同时进行N型缓冲一区2和N型缓冲二区6的N型离子注入；然后在P型注入二区5进行P型离子注入；或者，
同时在衬底漂移区1上的N型缓冲一区2和N型缓冲二区6进行N型离子注入，然后在P型注入二区5进行P型离子注入；或者，
同时在衬底漂移区1上的N型缓冲一区2、P型注入二区5和N型缓冲二区6进行N型离子注入；然后在P型注入二区5进行P型离子注入；
所述N型缓冲一区2和N型缓冲二区6在P型注入二区5沿横向方向的两端。
步骤3：在P型注入一区3进行P型离子注入，所述P型注入一区3在N型缓冲一区2上。
步骤4：在N型注入一区7进行N型离子注入，所述N型注入一区7在所述P型注入二区5上。
步骤5：背面退火工艺。
步骤6：背面注氢工艺(根据需要确定是否进行背面注氢)
步骤7：背金工艺，在所述P型注入一区3、N型注入一区7、N型缓冲二区6上形成金属层4。
以图8的逆导型IGBT器件背面结构为例，其逆导型IGBT器件的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：完成IGBT的正面工艺和背面减薄。
步骤2：在衬底漂移区1上的N型缓冲一区2进行N型离子注入、N型缓冲二区6N型离子注入；若N型缓冲一区2和N型缓冲二区6设计参数相同，则同时进行N型缓冲一区2和N型缓冲二区6的N型离子注入；然后在P型注入二区5进行P型离子注入；或者，
同时在衬底漂移区1上进行N型缓冲一区2和N型缓冲二区6进行N型离子注入，然后在P型注入二区5进行P型离子注入；或者,
同时在衬底漂移区1上的N型缓冲一区2、P型注入二区5和N型缓冲二区6进行N型离子注入；然后在P型注入二区5进行P型离子注入；
所述N型缓冲一区2和N型缓冲二区6在P型注入二区5沿横向方向的两端。
步骤3：在P型注入一区3进行P型离子注入，所述P型注入一区3在N型缓冲一区2上。
步骤4：在N型注入一区7进行N型离子注入，所述N型注入一区7在所述P型注入二区5上；
步骤4.1：在N型注入二区8进行N型离子注入，所述N型注入二区8在N型缓冲二区6上，并与N型缓冲二区6设计参数不同；
步骤4.2：在N型注入三区9进行N型离子注入，所述N型注入三区9在N型注入一区7上，并与N型注入一区7设计参数不同；
步骤5：背面退火工艺；
步骤6：背金工艺，在P型注入一区3、N型注入三区9、N型注入二区8上形成金属层4。
参见图3，若N型缓冲二区6和N型注入一区7设计参数相同，则同时在二者区域注入N型离子。参见图4，若N型缓冲一区2和N型注入一区7设计参数相同，则同时二者区域注入N型离子。参见图5，若P型注入二区5和P型注入一区3计参数相同，则同时二者区域注入P型离子。
本发明利用了现有IGBT的背面成熟工艺，增加了P型离子深注入工艺；再经过N型注入工艺，再经过金属化接触工艺，最终实现了RC-IGBT的功能。本发明的制造方法便于实施制作，可以利用现有的工艺水平实现。
通过本实施例的制造方法，实现了逆向也可以导通的性能。在低电流工作时，RC-IGBT工作在MOSFET模式，有效地降低了工作功耗。在大电流工作时，RC-IGBT工作在IGBT模式。本发明改善了现有的IGBT器件在小电流工作时，VCE压降比较高的特点，本发明的IGBT的背面结构可以使IGBT在小电流工作时，VCE压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。本发明比现有的IGBT结构降低了小电流工作条件下的IGBT的正向导通压降，小电流条件下，相同的正向导通电压可以增加导电电流约9％。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，实施步骤也可以进行若干变化和改进，比如图中的3-图8中的N或者P型离子的浓度的变化，深度的变化、宽度的变化和基于本设计思路的结构的变形、某些区域的合并和增减，基于本发明结构思路进行的工艺步骤和方法的变化，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种逆导型IGBT器件的背面结构，其特征在于，包括：
衬底漂移区；
N型缓冲一区和P型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；
N型缓冲二区，形成于所述衬底漂移区上；
P型注入二区和N型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；所述N型缓冲一区和P型注入一区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的一端，所述N型缓冲二区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的另一端；
金属层，形成于P型注入一区、N型注入一区以及N型缓冲二区的上。
2.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的背面结构，其特征在于，当N型缓冲二区和N型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。
3.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的背面结构，其特征在于，当N型缓冲一区和N型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。
4.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的背面结构，其特征在于，当P型注入一区和P型注入二区设计参数相同时，则为一体成形结构。
5.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的背面结构，其特征在于，还包括：
N型注入二区，层叠形成于N型缓冲二区上，并与N型缓冲二区设计参数不同；
N型注入三区，层叠形成于N型注入一区上，并与N型注入一区设计参数不同；
所述N型注入二区和N型注入三区均与金属层接触。
6.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的背面结构，其特征在于，所述P型注入二区的宽度为10nm-10000000nm，P型注入二区深度为10nm-200000nm。
7.一种逆导型IGBT器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：完成IGBT的正面工艺和背面减薄；
步骤2：在衬底漂移区上的N型缓冲一区进行N型离子注入、N型缓冲二区进行N型离子注入；若N型缓冲一区和N型缓冲二区设计参数相同，则同时进行N型缓冲一区和N型缓冲二区的N型离子注入；然后在P型注入二区进行P型离子注入；或者，
同时在衬底漂移区上的N型缓冲一区和N型缓冲二区进行N型离子注入，然后在P型注入二区进行P型离子注入；或者，
同时在衬底漂移区上的N型缓冲一区、P型注入二区和N型缓冲二区进行N型离子注入；然后在P型注入二区进行P型离子注入；
所述N型缓冲一区和N型缓冲二区在P型注入二区沿横向方向的两端；
步骤3：在P型注入一区进行P型离子注入，所述P型注入一区在N型缓冲一区上；
步骤4：在N型注入一区进行N型离子注入，所述N型注入一区在所述P型注入二区上；
步骤5：背面退火工艺；
步骤6：背金工艺，在所述P型注入一区、N型注入一区、N型缓冲二区上形成金属层。
8.根据权利要求7所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征在于，将步骤4-步骤6替换为：
步骤4：在N型注入一区进行N型离子注入，所述N型注入一区在所述P型注入二区上；
步骤4.1：在N型注入二区进行N型离子注入，所述N型注入二区在N型缓冲二区上，并与N型缓冲二区设计参数不同；
步骤4.2：在N型注入三区进行N型离子注入，所述N型注入三区在N型注入一区上，并与N型注入一区设计参数不同；
步骤5：背面退火工艺；
步骤6：背金工艺，在P型注入一区、N型注入三区、N型注入二区上形成金属层。
9.根据权利要求7或8所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤5背面退火工艺之后还包括：背面注氢工艺。
10.根据权利要求7所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征在于，
若N型缓冲二区和N型注入一区设计参数相同，则同时在二者区域注入N型离子；
若N型缓冲一区和N型注入一区设计参数相同，则同时二者区域注入N型离子；
若P型注入二区和P型注入一区计参数相同，则同时二者区域注入P型离子。
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